太阳能发电的最大功率跟踪方法研究

石征锦　郭瑞曦　皇甫尚伟　富斯盟

摘 要：以太阳能发电系统为研究对象，由于传统方法在太陽能最大功率点跟踪系统中只能在较大的范围内避免波动和误判问题，在传统方法基础上，针对其在最大功率点处存在的较大的波动问题进行改进。将恒压法与变步长滞环比较法相结合，形成的新方法，在此基础上与传统方法相比，并在相同的实验环境下，用Matlab/ Simulink进行仿真，仿真结果表示该方法提高了最大功率跟踪速度与精度，验证了所提出方法的正确性。

关键词：太阳能发电 最大功率跟踪 恒压法 滞环比较法

中图分类号：TM914.4 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）09（b）-0015-05

Abstract： Taking the solar power generation system as the research object， because of the traditional method in the solar maximum power point tracking system， it can only avoid the problem of fluctuation and misjudgement in a large range. Based on the maximum power point tracking algorithm， this paper improves the oscillation and misjudgement of the maximum power point existing in the traditional method.Putting forward the constant pressure method and the variable step lag hysteresis combination method and carrying out the simulation in the Matlab/Simulink environment. The simulation results show that this method improves the speed and accuracy of maximum power point tracking， and verifies the correctness of the proposed method.

Key Words： Solar electrical energy generation； Maximum power tracking； Constant voltage method； Hysteresis comparison method

太阳能发电由于它的绿色、环保以及可再生能源的优势受到人们的欢迎。因为分布式光伏发电具有成本低、安装方便、功率灵活、体积小、效率高等优势，得到了世界各国的重视[1]。降低成本并提高太阳能的利用率，推动能源结构优化加快节能减排成为人们的重点研究方向。

最大功率跟踪算法能将太阳能电池板发出的直流电以高效、稳定的方式储存在蓄电池中，并且能使系统在任何光强下都工作在最优状态。这样可有效解决常规电网不能覆盖的偏远地区的生活工业用电，并且节能环保、能源可再生。

常用的MPPT方法有很多，以扰动观擦法为例，由于扰动观擦法在电压增量的选取上有难度：外界环境随时影响着系统的工作状态，响应速度与电压增量的选择有关，电压增量越小精度越高，但响应速度会随之变慢；电压增量选取较大时，响应时间虽然加快，但是系统误差会变大从而影响整体响应；恒压法是一种粗略的近似算法，系统不能准确地追踪最大功率点，会导致蓄电池的充电效率低[2]。因此，以上述方法为基础并改进，将恒压法与变步长滞环比较法相结合从而形成的新方法。

1 太阳能电池MPPT（最大功率跟踪）原理

MPPT方法示意图如图1所示，太阳能电池特性曲线如图2所示，由于电压与功率是二次函数的关系，因此在曲线的拐点处即可使光伏阵列的输出特性达到最大功率，有唯一的电压与电流与最大功率点（MPP）相对应，如曲线1和曲线2不同光照强度下的光伏阵列输出特性曲线，曲线上的A点为光照强度时最大功率输出点，曲线B为光照强度时的最大功率点。在光照强度为时，系统工作位置在B点，当太阳光照强度由转换到时，若保持负载恒定不变，系统会偏离曲线2上最大功率点B。调节光伏阵列所带的等效负载即可确保系统保持工作在最大功率点。同理，当光照强度由转换到时，可通过调整负载，可使系统在光照强度降低时依然使光伏阵列的输出特性达到最大功率， 实现系统在外界环境变化时也能稳定运行、高效率的充电目的[3]。

2 基于太阳能发电的恒压与变步长滞环比较结合法

2.1 扰动观察法原理及仿真

扰动观察法的基本原理是通过对电路施加扰动改变光伏系统工作状态，改变电压的大小，并检测电压改变后的功率变化情况：若改变电压后，功率增大，则证明该点的变化是沿着正确的方向，因此在下一周期可以采用同样的方法改变电压大小；如果输出电压增大时，检测到功率减小，此时系统判断出参考电压调整方向错误，因此系统在下一周期可减少输出电压的大小。循环此过程，直到系统稳定工作在最大功率点附近。

系统设定初始扰动电压Un、扰动步长△U由公式（1）通过采集当前时刻的输出电压电流Un+1、In+1并进行A/D转换，由公式（2）可知当前太阳能输出功率，并与前一时刻的输出功率Pn公式（3）做差，由公式（4）计算△P若△P>0则继续重复上诉过程，△P<0若，则按照公式，则按照公式（5）进行调整，以这样的方式，使输出功率按照逐渐变大的趋势，循环此操作，直至△P=0，从而实现MPPT（最大功率跟踪）。

扰动观察法测量参数少，其过程易于实现，但难以确定电压增量。为达到MPP（最大功率），在确定步长时需要花费较长的时间，并且存在偏离最大工作点的风险[4]。图4为扰动观察法在扰动观测法的仿真模型，其输入量为光伏阵列的输出电压和电流，步长设为0.001s。

2.2 滞环比较结合法

扰动观察法不适于恶劣的环境，且在MPP处始终波动，因此对该方法进行改进，从而形成滞环比较法。滞环比较法原理是系统以扰动的方式追踪到最大功率点[5]，在外界环境变化时，工作点能够在一定范围内保持不变。

滞环比较法能够使系统工作位置距离最大功率点非常近，而且当日照强度稳定时再进行最大功率点追踪，可以解决扰动观察法在最大功率点存在的振荡和误判问题。滞环比较法缺点是启动时存在的采样误差会影响启动，造成扰动损失并产生误判。

2.3 恒压与变步长滞环比较结合法

恒压与变步长滞环比较结合法特点：该方法在外部条件发生变化时，工作点不会立即跟随环境的变化而移动，当系统回归于稳定状态时再进行最大功率跟踪，从而可以避免在波动过程中产生的误判问题。恒压与变步长滞环比较结合法控制流程图如图5所示，其仿真模型图如图6所示。

分别检测k时刻与k-1时刻的输出电压和电流，由此确定出功率的变化方向，在MPP附近采用变步长方法，步长为△U，步长公式为公式（6）所示。

3 实验结果

3.1 实验光照与温度恒定时的仿真对比

对恒压与变步长滞环比较法在外界环境温度25℃，光照1000W/m2条件下，由Matlab/Simulink软件仿真，并且與在该外部环境条件下的扰动观察法进行仿真对比。在同等稳定条件下恒压变步长滞环比较的电流、电压及功率输出如图7所示。在同等稳定条件下采用扰动观察法仿真结果如图8所示。发现扰动观察法有明显滞后现象，而恒压与变步长滞环比较结合法能更快地达到最大功率点。

3.2 实验光照恒定，温度突变时的仿真对比

图9为光照强度稳定为800W/m2时扰动观察法温度由25℃突变为50℃仿真结果，图10为恒压变步长滞环比较法相结合法在同等条件下的实验结果。通过对比图9与图10，在光照强度稳定为800W/m2，在0.25s时温度由25℃突变到50℃时，恒压与变步长滞环比较法结合的算法使系统在精度追踪上有明显提升，较快的适应光强突变情况，使误判问题得以避免，在最大功率点附近存在的波动问题得到抑制。

4 结语

本系统运用恒压与变步长滞环比较结合法相结合的MPPT算法并在Matlab/Simulink的环境下建模仿真，并在相同的外界环境下与扰动观察法的仿真结果对比。发现恒压与变步长滞环比较结合法提高了光强转换效率，能够快速、稳定地跟踪最大功率，避免了小范围内的误判问题，并抑制了震荡现象，实现了太阳能高效充电。

参考文献

[1] J Li， Z Wu，S Zhou，et al， Aggregator service for PV and battery energy storage systems of residential building[J]. CSEE Journal of Power and Energy Systems，2015，1（4）： 3-11.

[2] 郭会娜，黄洪全.扰动观察法与滞环比较法实现MPPT的比较分析[J].太阳能技术与产品，2008（11）：30-32.

[3] 张荣山.太阳能充放电系统优化控制技术研究[D].沈阳：沈阳理工大学，2016.

[4] 卢可可，张寅孩.基于恒压法和变步长滞环比较法结合的MPPT算法研究[J].工业控制计算机，2013，26（5）：114-116.

[5] 夏玉印，颜世超，何宇.基于改进的变步长滞环比较法的MPPT算法研究[J].机电信息，2013（3）：98-99.